O teorie emblematică a lui Stephen Hawking a primit în sfârșit confirmare după 54 de ani.

Specialiștii afirmă că abilitatea lor de a analiza undele gravitaționale s-a perfecționat semnificativ în ultimul deceniu, permițând verificarea unei idei-cheie despre formarea găurilor negre formulată de Hawking în 1971.

La data de 14 septembrie 2015, oamenii de știință au reușit să detecteze undele gravitaționale, generate de fuziuni cataclismice ale găurilor negre.

Descoperirea a fost făcută publică în februarie 2016, iar Premiul Nobel pentru Fizică le-a fost acordat în 2017, în contextul în care ciclul dintre o nouă descoperire și recunoașterea prin Nobel s-a lungit în deceniile anterioare, ajungând la zeci de ani.

În deceniu de la începutul observațiilor, cercetătorii au înregistrat sute de fuziuni între găuri negre, alături de alte fenomene cosmice extreme, precum coliziunile dintre stele neutronice și interacțiunile dintre găuri negre și stele neutronice.

În prezent, o echipă de cercetători independenți a prezentat o nouă descoperire într-un studiu publicat într-o publicație științifică de profil.

Ce spune teorema ariei în cazul găurilor negre

Când găurile negre se contopesc, masele se combină, ceea ce duce la creșterea ariei. Însă o parte din energie se pierde sub formă de unde gravitaționale. În plus, contopirea poate crește rotația găurii rezultante, ceea ce poate părea să diminueze aria. Însă teorema ariei indică faptul că aria totală trebuie să crească în final.

Cercetătorii au crezut că această teorie a fost confirmată în 2021, însă rezultatul a fost ulterior marcat de incertitudini: datele erau mai puțin clare, iar etapa de după fuziune este dificil de măsurat cu precizie în acel caz.

„Există o afirmație foarte celebră în fizică, formulată de Hawking, că aria, suprafața găurilor negre nu poate niciodată să scadă”, afirmă acum Maximiliano Isi, astrofizician la Universitatea Columbia și la Flatiron Institute.

El spune că exact acest lucru au observat oamenii de știință după ce au analizat undele gravitaționale detectate la începutul acestui an. Pe 14 ianuarie, detectoarele au înregistrat unde gravitaționale provenite de la două găuri negre aflate la circa 1,3 miliarde de ani-lumină distanță, care se ciocneau.

Aceste găuri negre aveau mase între 30 și 40 de ori masa Soarelui nostru, iar impactul lor a fost foarte asemănător cu cel care a dus la prima detecție a unei unde gravitaționale în 2015. De atunci însă, cele două detectoare gigantice operate de programul LIGO, din Louisiana și în statul Washington, au fost modernizate în mod repetat.

„Pentru că detectoarele sunt atât de mult mai performante astăzi, putem înregistra semnalul mult mai clar”, spune Katerina Chatziioannou, fizician specializat în unde gravitaționale la Caltech.

Asta le-a permis să realizeze o nouă analiză care a arătat că, între cele două, găurile negre inițiale aveau o suprafață combinată de 240.000 de kilometri pătrați. După ce s-au unit într-o singură gaură neagră, aria acesteia era de circa 400.000 de kilometri pătrați.

„Am demonstrat exact teorema lui Hawking”

Teoria lui Hawking spune că aria finală a găurii negre trebuie să fie mai mare decât suma ariilor inițiale, subliniază Chatziioannou, „iar acesta este lucrul pe care l-am demonstrat observațional cu acel semnal”.

Isi afirmă că acest tip de dovadă este exact ceea ce spera Hawking acum un deceniu, când a fost anunțată prima detecție a unei unde gravitaționale. De fapt, el a luat legătura cu unul dintre oamenii de știință implicați atunci pentru a vedea dacă undele gravitaționale ar putea fi folosite pentru a testa această predicție.

Pe atunci, însă, pur și simplu nu era posibil, pentru că datele conțineau prea mult „zgomot” și tehnicile de analiză nu erau suficiente.

Hawking a murit în 2018. „Este regretabil că Hawking nu mai este printre noi, dar, fără îndoială, aceasta este o modalitate prin care moștenirea lui continuă să trăiască”, spune Isi.

„Toate aceste idei pe care oamenii le-au gândit în anii ’70, crezând că sunt doar speculații teoretice, acum se manifestă în date reale”, adaugă cercetătorul. „Vedem că aceste lucruri se întâmplă aproape exact așa cum au fost prezise”.

Un alt fizician celebru a prezis existența undelor gravitaționale

Albert Einstein, care a prezis existența undelor gravitaționale în 1916, credea că ele nu vor fi niciodată detectate.

„Dacă i-am fi spus că detectăm unde gravitaționale de la găuri negre care se ciocnesc aproape în fiecare zi sau o dată la două-trei zile”, spune Isi, „sunt sigur că ar fi fost uluit”.

Gabriela González, cercetătoare în domeniul undelor gravitaționale la Universitatea de Stat din Louisiana, afirmă la rândul ei că echipa de cercetători a fost surprinsă de cât de multe fuziuni de găuri negre au observat.

„Am văzut atât de multe fuziuni de găuri negre încât învățăm atât de multe despre ele încât, uneori, sunt tentată să numesc asta «astronomie a găurilor negre» mai degrabă decât «astronomie a undelor gravitaționale»”, spune ea.

Ea ar fi prezis că vor vedea mult mai multe fuziuni între stele neutronice, dar, până acum, au observat doar câteva exemple.

Acest lucru s-ar putea schimba, întrucât cercetătorii lucrează deja la planuri pentru noi detectoare de unde gravitaționale, și mai mari, care ar fi de zece ori mai sensibile. „Acesta este visul nostru”, spune ea, adăugând că, peste un deceniu, aceste detectoare ar putea fi în construcție – poate chiar finalizate.

În concluzie, aceste progrese deschid calea spre o eră în care undele gravitaționale vor deveni o unealtă obișnuită pentru înțelegerea universului.

În plus, viitoarele detectoare ar putea permite observații mult mai detaliate, deschizând noi perspective în astrofizică.

Aceste progrese sugerează că undele gravitaționale vor deveni o parte normală a cercetării cosmice, deschizând oportunități pentru înțelegerea spațiului și timpului.